專利名稱：一種用于超聲波電機的lc諧振驅動電路及其控制方法
技術領域：
本發明涉及超聲波電機，尤其涉及超聲波電機的驅動控制技術領域。
背景技術：
超聲波電機是近二十年來出現的ー種全新概念的驅動裝置，和傳統的電磁電機相比，它具有功率密度大、無電磁干擾、低速大轉矩、動作響應快、運行無噪聲、無輸入自鎖等特點，這些優點使得超聲波電機在航空航天、機器人、精密加工設備、醫療設備、生物工程等高端運動控制領域及家用電器、汽車電子等普通運動控制領域都有著廣泛的應用前景。
目前，超聲波電機驅動控制器的體積較大，在一些應用中受到很大的限制。文獻根據電機的容性負載特性，通過簡化超聲波電機的等效電路，提出了利用LC諧振的無變壓器式驅動電路，并進行了仿真分析。文獻[2]研究了諧振驅動電路的設計方法，說明了輸出信號中各次諧波幅值和能量比與驅動信號占空比和諧振周期之間的關系。上述文獻的研究為超聲波電機功率諧振式驅動電路的研究提供了較好基礎，但所給出的驅動電路只能使電機工作在預先設計的確定工作點，電機驅動電壓頻率等可控變量均不可調節，嚴重限制了該類電路的實際應用。文獻[3]在可調可控方面進行了初歩探索，對選擇不同的電阻、電感值以實現頻率離線調節進行了分析。但由于電路中的電感是功率電感，變電感值不易在線準確實現，功率諧振式驅動電路的可調可控仍有待進ー步研究。相關參考文獻如下[I]顧菊平，胡敏強，石斌，等.超聲波電機諧振升壓式驅動技術研究，中國電機エ程學報,2002，22 (8) :49-52.[2]李華峰，趙淳生.基于LC諧振的超聲電機驅動器的研究，中國電機工程學報，2005,25(23) :144-148.[3]甘云華，金龍，王心堅，等.超聲波電機自激振蕩驅動電路的變頻控制特性，中國電機工程學報，2008，28 (9) :93-96.

發明內容
本發明的目的是提供一種用于超聲波電機的LC諧振驅動電路及其控制方法，用以解決現有驅動控制方法的效果不佳的問題。為實現上述目的，本發明的電路方案是一種用于超聲波電機的LC諧振驅動電路，驅動超聲波電機的A、B兩相橋式驅動電路的交流側均串設有串聯匹配電感，所述A、B兩相橋式驅動電路分別設置有用于調節對應相橋式驅動電路直流母線電壓的Boost升壓電路，所述Boost升壓電路的功率開關管串聯有ー個ニ極管，所述ニ極管正極連接所述串聯匹配電感L與超聲波電機等效電容C的串聯點上。所述A、B兩相橋式驅動電路的開關管為M0SFET。本發明的方法方案是LC諧振驅動電路控制方法，固定串聯匹配電感的電感值，通過改變所述功率開關管的驅動信號頻率、占空比和周波數，使輸出波形可調。本發明根據超聲波電機的容性負載特性，通過串聯匹配電感，構成由超聲波電機本體參與的LC諧振升壓的無變壓器式驅動電路。進ー步，本發明提出了固定所有電路參數，只改變驅動信號頻率、占空比和諧振周波數的方法，實現對超聲波電機的驅動控制。采用USR30型超聲波電機，進行了實驗驗證。


圖I是LC諧振驅動電路；圖2是電機諧振頻率與開關驅動頻率的關系；圖3是不同周波、不同占空比的仿真波形；圖4是超聲波電機驅動控制結構框圖；圖5是B相40 %占空比的驅動波形與諧振波形；
圖6是兩相實測波形。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進ー步詳細的說明。諧振電路實施例驅動超聲波電機的A、B兩相橋式驅動電路的交流側均串設有串聯匹配電感L，所述A、B兩相橋式驅動電路分別設置有用于調節對應相橋式驅動電路直流母線電壓的Boost升壓電路，其特征在于，所述Boost升壓電路的功率開關管Q串聯有ー個ニ極管D1，ニ極管Dl正極連接所述串聯匹配電感L與電容C的串聯點上。超聲波電機(USM)在諧振頻率附近，可以認為呈容性，即可等效為ー個電容C。本發明所述Boost升壓LC諧振驅動電路如圖I所示。由于MOSFET器件Q內部有ー個反并聯體ニ極管，在電容C(即超聲波電機)電壓反相時會通過此ニ極管放電，使得輸出電壓只有正半波。為了防止這種情況出現，在電路中串聯ー個超快恢復ニ極管，使得在開關斷開期間LC能形成完整的振蕩。開關是指功率開關管Q。電路工作原理為當開關Q導通時，電源向電感L儲能；開關斷開時，電感中儲存的能量向電容C釋放并與其諧振，整個電路為帶初始條件的LC串聯諧振電路。Boost升壓單元提升電壓的關鍵原因有兩個一是電感L儲能后具有使電壓泵升的作用，ニ是電容C可將輸出電壓保持住，因此占空比的選擇對輸出電壓的幅值和有效值起關鍵作用。串聯匹配電感的選擇由下式確定
Γ , (I-D)2T2L = -----(I)
(2kπ)2 CΚ ノ式中，k為在關斷期間諧振的整周波個數，D為占空比，T為開關周期。方法實施例一旦匹配電感選定，LC諧振頻率就固定不變，通過調整驅動MOSFET的驅動信號頻率來改變諧振波形的占空比，不連續正弦波的等效效應發生改變，從而調節電機轉速，達到控制目的。開關驅動信號頻率f與電機諧振頻率fUSK關系如下式(參看圖2)f =(2)根據式(1)、(2)可以看出，調節開關信號占空比D、開關信號頻率f和導通周波數k可以實現超聲波電機的調速控制。將上式等效變換為
權利要求
1.一種用于超聲波電機的LC諧振驅動電路，驅動超聲波電機的A、B兩相橋式驅動電路的交流側均串設有串聯匹配電感，所述A、B兩相橋式驅動電路分別設置有用于調節對應相橋式驅動電路直流母線電壓的Boost升壓電路，其特征在于，所述Boost升壓電路的功率開關管串聯有ー個ニ極管，所述ニ極管正極連接所述串聯匹配電感L與超聲波電機等效電容C的串聯點上。
2.根據權利要求I所述的ー種用于超聲波電機的LC諧振驅動電路，其特征在于，所述A、B兩相橋式驅動電路的開關管為M0SFET。
3.—種LC諧振驅動電路的控制方法，其特征在于，固定串聯匹配電感的電感值，通過改變所述功率開關管的驅動信號頻率、占空比和周波數，使輸出波形可調。
全文摘要
本發明涉及一種用于超聲波電機的LC諧振驅動電路及其控制方法，本發明根據超聲波電機的容性負載特性，通過串聯匹配電感，構成由超聲波電機本體參與的LC諧振升壓的無變壓器式驅動電路。進一步，本發明提出了固定所有電路參數，只改變驅動信號頻率、占空比和諧振周波數的方法，實現對超聲波電機的驅動控制。采用USR30型超聲波電機，進行了實驗驗證。
文檔編號H02N2/14GK102694483SQ20121000890
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者劉兆魁, 史敬灼, 尤冬梅, 張瑞, 石靜 申請人:河南科技大學